DE3117192A1

DE3117192A1 - Ventilantrieb

Info

Publication number: DE3117192A1
Application number: DE19813117192
Authority: DE
Inventors: Fritz 7104 Willsbach Sondermann; Joachim Dipl.-Ing. 6940 Weinheim Stein
Original assignee: INT FLUGGERAETE und MOTOREN GM; Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: INT FLUGGERAETE und MOTOREN GM; Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1981-04-30
Filing date: 1981-04-30
Publication date: 1982-11-25

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H. Theodor-Stern-Kai 1, 6000 Frankfurt 70 Internationale Fluggeräte und Motoren GmbH 6940 Weinheim

Heilbronn, den 16.04.1981 Z13-HN-La/lü - HN 81/14

Ventilantrieb

Die Einspritzung beim Ottomotor wird heute bereits teilweise elektrisch geregelt. Die Umsetzung der elektrischen Signale in eine mechanische Bewegung der Einspritzventile erfolgt mittels Magnetventilen. Die bekannten Ventilantriebe bestehen gemäß der Figur 1 aus einem Elektromagnet mit einer stationären Spule 1 und einem stationären Weicheisenkern 2, der einen beweglichen Weicheisenkern 3. antreibt. Der bewegliche Weicheisenkern 3 überträgt seine Bewegung auf das zu bewegende Ventil.

Die bekannten Ventilantriebe mit einem Elektromagnet und einem beweglichen Weicheisenkern benötigen jedoch Schaltzeiten, die für bestimmte Anwendungszwecke wie z. B. beim Dieselmotor zu groß sind. Mit den bekannten Ventilantrieben lassen sich keine Schaltzeiten erzielen, die in dem für bestimmte Anwendungsfälle erforderlichen Bereich von 0,1 Millisekunden liegen. Dies hat mehrere Gründe. Ein Grund besteht darin, daß die Massenkräfte zur Bewegung des Ventils bei den bekannten Lösungen sehr groß sind. Je größer aber die erforderlichen Massekräfte sind, desto größer werden die Mindestabmessungen für den Kern 3 , was umciekehrt wieder eine zusätzlich zu bewegende Masse bedingt. Hinzu kommt, daß der Eisenkern 3 aus Woicheisenmaterial und damit aus einem Material mit relativ hohem spezifischen Gewicht bestehen muß, was ebenfalls zu einer Verlängerung der möglichen Schaltzeiten beiträgt.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ventilantrieb anzugeben, der schneller arbeitet als die bekannten Ventilantriebe und der somit kürzere Schaltzeiten aufweist als die bekannten Ventilantriebe. Diese Aufgabe wird durch einen Ventilantrieb gelöst, bei dem nach der Erfindung als Antriebsmittel für das Ventil eine elektromagnetische Spule vorgesehen ist, die durch Einwirkung ihres eigenen Magnetfeldes und eines fremden Magnetfeldes in Abhängigkeit von dem sie durchfließenden Strom bewegt wird und ihre Bewegung auf das anzutreibende Ventil überträgt.

Das V/esen der Erfindung besteht also im Gegensatz zu bekannten Lösungen darin, daß nicht durch einen Elektromagneten eine massive Eisenmasse angetrieben wird, sondern daß eine elektromagnetische Spule angetrieben wird, wobei der Antrieb durch das eigene Magnetfeld der Spule sowie durch ein Fremdmagnetfeld bewirkt wird. Die Erfindung hat den Vorteil, daß weniger Masse bewegt werden muß als bei den bekannten Ventilantrieben, was gleichbedeutend mit kürzeren Schaltzeiten ist. Außerdem kann die vorzugsweise als Tauchspule ausgebildete elektromagnetische Spule wesentlich kleiner als bei dem bekannten Ventilantrieb mit Elektromagnet ausgebildet werden, da die elektromagnetische Spule beim Ventilantrieb nach der Erfindung nicht das gesamte Magnetfeld aufbauen muß.

Die Hin- und Herbewegung, die die elektromagnetische Spule beim Ventilantrieb nach der Erfindung vorzugsweise ausführt, ist von der Richtung des sie durchfließenden Stromes abhängig. Zur Führung der elektromagnetischen Spule ist diese beispielsweise mit einer Welle verbunden, die in eine Bohrung einer Führung eingreift und durch die Bohrung geführt wird. Zur Begrenzung der mechanischen Bewegung dor Welle dienen Anschläge, die beispielsweise an den Stirnseiten der mit der elektromagnetischen Spule verbundenen Welle angebracht sind.

Bei dem Ventilantrieb nach der Erfindung werden zwei Magnetfelder erzeugt, und zwar das eine durch die elektromagnetische Spule, wenn diese von einem Strom durchflossen wird, und das andere durch einen gesonderten Magneten. Der Magnet hat vorzugsweise zwei Polschuhe. Der eine Polschuh befindet sich vorzugsweise im Innern der elektromagnetischen Spule, während der andere Polschuh die elektromagnetische Spule umgibt. Die elektromagnetische Spule ist eisenlos. Ihre Spulenmasse ist möglichst klein gewählt, um die Schaltzeiten zu verringern. Diese Bedingung erreicht man durch die Verwendung eines leichten Spulendrahtes wie z. B. eines Aluminiumdrahtes.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die elektromagnetische Spule nur während ihrer Bewegung mit dem zur Bewegung erforderlichen (größeren) Strom gespeist, während die elektromagnetische Spule im Haltezustand nur denjenigen (kleineren) Strom erhält, der erforderlich ist, das Ventil im Haltezustand zu halten. Es empfiehlt sich, die elektromagnetische Spule zu kühlen. Dies geschieht beispielsweise mittels einer Kühlflüssigkeit, die beispielsweise aus Kraftstoff besteht.

Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Die Figur 2 zeigt einen Ventilantrieb nach der Erfindung. Gemäß der Figur 2 besteht der .neue Ventilantrieb aus einer Tauchspule 4, die sich je nach Richtung des die Tauchspule durchfließenden Stromes nach links oder nach rechts bewegt. Die Antriebskraft für die Hin- und Herbewegung wird durch das Magnetfeld der Tauchspule 4 sowie durch das Magnetfeld des Magneten 5 mit den Polschuhen 6 und 7 erzeugt. Die Tauchspule 4 befindet sich zwischen den beiden

Polschuhen 6 und 7, und zwar derart, daß die Tauchspule 4 den inneren Polschuh 6 und der Polschuh 7 die Tauchspule 4 umgibt. An der einen Seite der Tauchspule 4 ist eine Welle 8 befestigt, die in eine Bohrung einer Führung 9 eingreift und dadurch geführt wird. An den beiden Stirnseiten der Welle 8 befinden sich Anschläge 10 und 11, die die Hin- und Herbewegung der Welle 8 und damit der Tauchspule 4 begrenzen. Der Magnet 5 ist beispielsweise ein Permanentmagnet; er kann aber auch ein anderer Magnet wie z. B. ein Elektromagnet sein. Der Anschlag 10 überträgt die Bewegung auf das nicht dargestellte Ventil.

Die Schaltkraft eines derartigen Systems errechnet sich aus der Beziehung F = B.L.n.i. Dabei ist B die Kraftflußdichte zwischen den Polschuhen 6 und 7, L die Leiterlänge einer Windung der Tauchspule 4, η die Anzahl der Windungen der Tauchspule 4 und i die Stromstärke des die Tauchspule 4 durchfließenden Stromes.

Die Schaltzeit t errechnet sich aus der Beziehung t = 2.s.m/F

Dabei ist s der Ventilhub, m die bewegte Masse und F die antreibende Kraft.

Die Induktivität der Tauchspule 4, die wesentlich für die Aufbauzeit des Magnetfeldes bzw. des Stromes ist, ergibt sich aus der Beziehung

L = μ_ο . f . Λ

Dabei ist μ die Induktionskonstante, η die Windungszahl der Tauchspule, 1 die Länge der Tauchspule und A die

Querschnittsfläche der Tauchspule.

Die nach der Erfindung vorgesehene elektromagnetische Spule 4 kann wesentlich kleiner ausgebildet werden als die bei einem bekannten Ventilantrieb vorhandene Spule für den Elektromagnet. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die elektromagnetische Spule 4 beim Ventilantrieb nach der Erfindung nicht das gesamte, zur Kraftflußerzeugung erforderliche Magnetfeld aufbauen muß.

Die Zeitkonstante T für den Stromaufbau in der Tauchspule ergibt sich aus der Beziehung

T = L/R

Dabei ist L die Induktivität der Tauchspule und R ihr ohmscher Widerstand.

Für die Tauchspule ist eine möglichst leichte Bauweise anzustreben. Aus diesem Grund wird als Spulenwerkstoff beispielsweise Aluminium verwendet. In der Spule sind hohe Stromdichten zu realisieren, um große Kräfte bei kleinen Spulenabmessungen zu erhalten.

Zur Minimierung der Leistungsaufnahme der Tauchspule wird die Tauchspule vorzugweise nur während des Schaltvorganges mit dem für die Bewegung erforderlichen Strom beaufschlagt. Sobald das Ventil die gewünschte Schaltstellung erreicht hat, bedarf es dagegen nur eines kleinen Haltestromes, um das Ventil in der jeweiligen Schaltstellung sicher zu fixieren.

Während des Schaltvorganges verzeichnet die Tauchspule eine hohe Leistungsaufnahme, die eine relativ starke Erwärmung zur Folge hat. Es empfiehlt sich deshalb, die Tauchspule zu kühlen. Dies geschieht vorzugsweise mittels eines flüssigen Mediums, indem die Spule beispielsweise umspült wird. Als Kühlflüssigkeit eignet sich beispielsweise Kraftstoff.

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Es ist zweckmäßig, die mechanischen Anschläge für die Wegbegrenzung der Tauchspule in das Ventil zu verlegen, um die bewegte Masse möglichst klein zu halten.

Zur Steuerung des Schaltvorganges ist gemäß der Figur 2 eine Ansteuerschaltung 12 vorgesehen, deren Eingängen die Versorgungsspannung sowie die Steuerimpulse zugeführt werden.

Die Figur 3 stellt schematisch das anzusteuernde Ventil dar. Der Ventilschieber 13 dient der Tauchspule 14 als Führung und hat Verdickungen an den Stellen 15 und 16, die den Weg relativ zum Gehäuse 17 begrenzen. Das Gehäuse 17 des Ventilantriebs ist lediglich angedeutet.

Die Figur 4 zeigt den Idealverlauf der Ansteuerspannung der Tauchspule. Nur während der Schaltvorgänge wird eine hohe Spannung, als Schaltspannung bezeichnet, an die Spule angelegt. Wenn das Ventil die gewünschte Schaltstellung erreicht hat, reicht eine kleine Haltespannung, die eine genügend große Kraft erzeugt, um das Ventil in dieser Position zu halten.

Die Figur 5 zeigt das Prinzip einer Schaltung, die den gewünschten Spannungsverlauf an der Spule 18 erzeugen kann. Der Schalter 19 erzeugt die Stromrichtung durch die Tauchspule. Der Schalter 20 erzeugt die Schalt- bzw. Haltespannung durch Überbrücken bzw. Nichtüberbrücken des Vorwiderstandes 21.

Bei einer Realisierung der Prinzipschaltung der Figur 5 werden beispielsweise die Schalter 19 und 20 als Transistoren ausgebildet, die von einem logischen Schaltkreis angesteuert werden. Die Ansteuerung des Schalters 20 erfolgt beispielsweise dadurch, daß eine möglichst kleine Verlustleistung im Vorwiderstand 21 entsteht, d. h. durch ständiges Schalten des Schalters 20 wird an der Tauchspule 18

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eine Wechselspannung erzeugt, so daß die Impedanz der Spule zur Strombegrenzung mit beiträgt. Durch Kleinhalten der Schaltintervalle kann der Haltestrom kleingehalten werden. Dieses Verfahren wird beispielsweise im Injector Driver L 843 verwendet.

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Claims

Licentia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H. Theodor-Stern-Kai 1, 6000 Frankfurt 70

Internationale Fluggeräte und Motoren GmbH 6940 Weinheim

Heilbronn, den 16.04.1981 Z13-HN-La/lü - HN 81/14

Patentansprüche

(ly Ventilantrieb, beispielsweise für eine elektronische Einspritzanlage eines Motors, dadurch gekennzeichnet, daß als Antriebsmittel für das Ventil eine elektromagnetische Spule vorgesehen ist, die durch Einwirkung ihres eigenen Magnetfeldes und eines fremden Magnetfeldes in Abhängigkeit von dem sie durchfließenden Strom bewegt wird und ihre Bewegung auf das anzutreibende Ventil überträgt.
2) Ventilantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Spule eine Hin- und Herbewegung ausführt, die von der Richtung des sie durchfließenden Stromes abhängt.
3) Ventilantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Führung vorgesehen ist, die zur Führung der elektromagnetischen Spule dient.
4) Ventilantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Anschläge vorgesehen sind, die die mechanische Bewegung der elektromagnetischen Spule begrenzen.
5) Ventilantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit der elektromagnetischen Spule eine Welle verbunden ist, die in der Führung läuft,

und daß an den Stirnseiten dieser Welle die Anschläge zur Begrenzung der Bewegung der elektromagnetischen Spule angebracht sind.
6) Ventilantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Spule eine Tauchspule ist.
7) Ventilantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des fremden Magnetfeldes ein Magnet vorgesehen ist, dessen einer Polschuh in das Innere der elektromagnetischen Spule eingreift und dessen anderer Polschuh die elektromagnetische Spule umgibt.
8) Ventilantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichent, daß die elektromagnetische Spule eine eisenlose Spule ist.
9) Ventilantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenmasse möglichst klein gewählt ist.
10) Ventilantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulendraht aus Aluminum besteht.
11) Ventilantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Spule zur Minimierung der Leistungsaufnahme im Haltezustand lediglich mit dem Strom gespeist wird, der erforderlich ist, das Ventil in der Haltestellung festzuhalten.
12) Ventilantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß für die elektromagnetische Spule eine Kühlung vorgesehen ist.
13) Ventilantrieb nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung der elektromagnetischen Spule eine Kühlflüssigkeit vorgesehen ist.
14) Ventilantrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlflüssigkeit Kraftstoff vorgesehen ist.